DE102010019769A1

DE102010019769A1 - Verstelleinrichtung für eine Turbine

Info

Publication number: DE102010019769A1
Application number: DE102010019769A
Authority: DE
Inventors: Martin Baldus; Gerd Krautkrämer
Original assignee: Schottel GmbH
Current assignee: SCHOTTEL HYDRO GMBH, DE
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2011-11-10
Also published as: WO2011138020A2; WO2011138020A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für eine Turbine, wobei die Turbine mit einer drehbaren Nabe und an der Nabe angebrachten und mittels der Verstelleinrichtung um ihre Längsachse verstellbaren Turbinenflügeln ausgebildet ist und die Turbinenflügel jeweils einen in der Nabe aufgenommenen Fußbereich aufweisen, an welchem die Verstelleinrichtung angreift. Zur Ausbildung der Verstelleinrichtung trägt jeder Fußbereich der Turbinenflügel ein erstes Kegelrad und die ersten Kegelräder stehen unter Zwischenschaltung mindestens eines zweiten Kegelrades miteinander in Eingriff und bilden ein Kegelradgetriebe und es ist ein steuerbarer Drehantrieb für den Antrieb mindestens eines der Kegelräder vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für eine Turbine, wobei die Turbine mit einer drehbaren Nabe und an der Nabe angebrachten und mittels einer Verstelleinrichtung um ihre Längsachse verstellbaren Turbinenflügeln ausgebildet ist und die Turbinenflügel jeweils einen in der Nabe aufgenommenen Fußbereich aufweisen, an welchem die Verstelleinrichtung angreift.
Turbinen der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der DE 39 21 570 C2 bekannt und werden insbesondere in Gezeitenkraftwerken zur Erzeugung von elektrischem Strom eingesetzt.
Dieser Einsatz bedingt, dass die Turbinenflügel infolge der sich gezeitenbedingt ändernden Strömungsrichtung des Wassers, in welchem sich die Turbine zum Zwecke der Stromerzeugung durch Antrieb eines Generators befindet, die Turbinenblätter mittels der Versteileinrichtung um ihre eigene Achse gedreht werden müssen, um der jeweils vorherrschenden Wasserströmung zu folgen und optimale Energiegewinnung zu gewährleisten. Im Stand der Technik wird dazu eine Verstelleinrichtung mit einer axial verschieblichen und in Richtung der Turbinenachse verlaufenden Steuerstange vorgeschlagen, die über ein Hebelsystem die gewünschte Verdrehung der Turbinenflügel um ihre Längsachse bewirkt. Dies ist mechanisch aufwändig und kostenintensiv und führt insbesondere bei mehrflügeligen Turbinen zu einer komplexen Mechanik. Überdies ist die Genauigkeit der gewünschten Verstellung aller Turbinenflügel um einen bestimmten Verdrehwinkel nur unzureichend.
Da ferner die Strömungsrichtung nur im Modell Änderungen von exakt 180° erfährt, ist es in der Praxis wünschenswert, größere Verstellbereiche, insbesondere mindestens 280° vorzusehen, die mit großer Genauigkeit angefahren werden müssen.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, jeden Fußbereich der Turbinenflügel mit einem Ritzel auszustatten, welches über eine dem jeweiligen Ritzel zugeordnete Zahnstange durch Axialbewegung derselben gedreht werden kann und so die Verstellung der Turbinenflügel initiiert. Auch dieser Aufbau ist mechanisch sehr aufwändig, da für jeden Turbinenflügel eine eigene Zahnstange vorgehalten werden muss und auch hierbei lässt die Genauigkeit der Verstellung aller Turbinenflügel um einen vorbestimmten Verstellwinkel zu wünschen übrig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verstelleinrichtung für eine Turbine vorzuschlagen, deren mechanischer Aufbau gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht ist und die sich durch einen weiten Verstellbereich bei großer Genauigkeit der bewirkbaren Verstellung der einzelnen Turbinenflügel auszeichnet.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Verstelleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung sieht vor, zur Ausbildung der Verstelleinrichtung an jedem Fußbereich der Turbinenflügel ein erstes Kegelrad vorzusehen, wobei die ersten Kegelräder unter Zwischenschaltung mindestens eines zweiten Kegelrades miteinander in Eingriff stehen und ein Kegelradgetriebe bilden. Ferner ist ein steuerbarer Drehantrieb für den Antrieb mindestens eines der Kegelräder vorgesehen. Gemäß der Erfindung sind somit sämtliche Turbinenflügel in ihren Fußbereichen über das Kegelradgetriebe permanent miteinander verbunden und bewegen sich infolge der Verkettung der jeweils ersten Kegelräder über die zwischengeschalteten zweiten Kegelräder stets synchron zueinander. Sobald von daher über den Drehantrieb ein einzelnes Kegelrad des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kegelradgetriebes in einer gewünschten Drehrichtung direkt angetrieben wird, werden sämtliche Turbinenflügel gleichermaßen in dieser Richtung um ihre Längsachse gedreht, so dass eine besonders einfache und genaue Verstellung aller Turbinenflügel vorgenommen werden kann. Unabhängig von der Anzahl der an der drehbaren Nabe vorgesehenen Turbinenflügel ist somit nur noch ein einziger steuerbarer Drehantrieb vonnöten, und es ist darüber hinaus ausreichend, diesen Drehantrieb an einem einzigen Kegelrad des Kegelradgetriebes direkt angreifen zu lassen.
Das erfindungsgemäß zur Synchronverstellung sämtlicher Turbinenflügel vorgeschlagene Kegelradgetriebe zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass ein sehr geringes Zahnflankenspiel eingestellt werden kann, so dass sämtliche Turbinenflügel gleichzeitig und mit äußerst geringer Abweichung der einzelnen Verdrehpositionen untereinander um ihre jeweilige Längsachse verstellt werden können.
Nach einem Vorschlag der Erfindung ist der Drehantrieb von einer axial verlagerbaren Steuerspindel gebildet, die mit einer auf der Steuerspindel drehbeweglich gelagerten und mit einem der Kegelräder verbundenen Spindelmutter in Wirkverbindung steht. Insofern ist es möglich, durch axiale Verlagerung der Steuerspindel über einen geeigneten außerhalb oder innerhalb der drehbaren Nabel vorgesehenen Antrieb diese lineare Bewegung in eine Rotationsbewegung der Spindelmutter umzuwandeln, die auf eines der Kegelräder des Kegelradgetriebes gemäß der Erfindung übertragen wird und somit die Verstellung der Turbinenflügel bewirkt.
Die Spindelmutter kann nach einem Vorschlag der Erfindung ein Gehäuse sowie innerhalb des Gehäuses gelagerte und formschlüssig in den Spindelgängen ablaufende Kugeln umfassen, so dass zwischen der Steuerspindel und der Spindelmutter vorhandenes Spiel auf ein Minimum reduziert wird, was die Positioniergenauigkeit der Turbinenflügel weiter verbessert. Bei den Kugeln kann es sich beispielsweise um Wälzlagerkugeln handeln, die in ihrem Durchmesser an den vorherrschenden Spindelgang angepasst sind.
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Spindelmutter integral in einem der Kegelräder auszubilden oder einstückig anzuformen, was insbesondere fertigungstechnische Vorteile mit sich bringt.
Nach einem alternativen Vorschlag der Erfindung kann der Drehantrieb auch eine mittels eines Antriebsmotors drehbare Antriebswelle umfassen, mit der eine Abtriebswelle in Eingriff steht, welche ihrerseits mit einem der Kegelräder verbunden ist. Auch auf diese Weise kann somit durch Antrieb eines der Kegelräder des Kegelradgetriebes eine synchrone Verstellung sämtlicher Turbinenflügel mit hoher Genauigkeit vorgenommen werden.
Nach einem Vorschlag der Erfindung sind die Antriebs- und Abtriebswelle jeweils als Schneckenwellen ausgebildet, es ist jedoch auch denkbar, die Antriebs- und Abtriebswelle über miteinander kämmende Zahnräder oder dergleichen zu verbinden.
Eine weitere Steigerung der Positioniergenauigkeit der verstellbaren Turbinenflügel wird nach einem Vorschlag der Erfindung dadurch erreicht, dass die Kegelräder des Kegelradgetriebes eine Bogenverzahnung aufweisen, so dass das zum Betrieb des Kegelradgetriebes notwendige Zahnflankenspiel zwischen benachbarten Kegelrädern auf ein Minimum reduziert werden kann.
Darüber hinaus kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen sein, dass mindestens eines der Kegelräder mittels einer Vorspanneinrichtung mit einer vorgebbaren Torsionsspannung beaufschlagbar ist, dergestalt, dass aufgrund der anliegenden Torsionsspannung das Zahnflankenspiel im Kegelradgetriebe aufhebbar ist.
Die Vorspanneinrichtung kann beispielsweise von einer federbelasteten elastischen Kupplung gebildet werden. Diese kann z. B. zwischen der Antriebswelle und einem der Kegelräder angeordnet werden.
Mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung ist es möglich, die Turbinenflügel in einem weiten Verstellbereich von beispielsweise mindestens 280° um ihre Längsachse zu verstellen. Es ist sogar möglich, insbesondere bei Verwendung einer drehbaren Antriebswelle an Drehantrieb die Turbinenflügel vollständig um ihre eigene Längsachse rotieren zu lassen.
Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1a in einer schematisierten stark vereinfachten Darstellung eine erste Ausführungsform der Erfindung in der Aufsicht von oben;
1b eine weitere Ansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Pfeil Z in 1a;
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
Aus den 1a und 1b ist in einer stark vereinfachten Darstellung die Nabe 1 einer Wasserturbine z. B. eines Gezeitenkraftwerks ersichtlich, an der mehrere, hier insgesamt drei nicht dargestellte Turbinenflügel in an sich bekannter Weise angebracht sind, um eine von der Nabe abgehende Turbinenwelle anzutreiben, die ihrerseits mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden ist.
Die Turbinenflügel sind jeweils mit einem Fußbereich 20 in der Nabe 1 aufgenommen und in Drehlagern 33 um ihre Längsachse L verstellbar gelagert. Zur Initiierung dieser Verstellbewegung wird eine nachfolgend näher erläuterte Verstelleinrichtung verwendet.
Zur Ausbildung der Versteileinrichtung ist am Ende jedes Fußbereiches 20 ein erstes Kegelrad 30 vorgesehen, welches verdrehfest mit dem Fußbereich 20 des zugehörigen Turbinenflügels 2 verbunden ist. Die dementsprechend vorgesehenen ersten Kegelräder 30 stehen miteinander unter Zwischenschaltung eines mit Bezugszeichen 31 versehenen zweiten Kegelrades in Eingriff und bilden gemeinsam ein Kegelradgetriebe 3.
Eine in nicht näher dargestellter Weise von einem externen Antrieb axial in Pfeilrichtung A verschieb- bzw. verlagerbare Steuerspindel 4 verläuft durch das zweite Kegelrad 31 hindurch, wobei auf der Steuerspindel 4 im Bereich der Spindelgänge 40 ferner eine Spindelmutter 5 vorgesehen ist, die drehbeweglich, aber gegen axiale Verschiebung gesichert, auf der Steuerspindel 4 angeordnet ist. Die Spindelmutter 5 ist ihrerseits verdrehfest mit dem zweiten Kegelrad 31 verbunden oder aber integral einstückig mit dieser ausgebildet.
Es ist somit offensichtlich, dass aufgrund der gewählten Anordnung die axiale Bewegung der Steuerspindel 4 in Pfeilrichtung A von der Spindelmutter 5 in eine Drehbewegung um die Längsachse der Steuerspindel 4 umgewandelt wird, wodurch das zweite Kegelrad 31 entsprechend der Verlagerungsrichtung der Steuerspindel 4 in Rotation versetzt wird. Damit werden aber auch die mit dem zweiten Kegelrad 31 kämmenden ersten Kegelräder 30 des Kegelradgetriebes 3 in Rotation versetzt, so dass letztlich die an die ersten Kegelräder 30 anschließenden Turbinenflügel 2 in der gewünschten Weise synchron um ihre Längsachse L verstellt werden und somit beispielsweise einer geänderten Strömungsrichtung einer zur Energiegewinnung verwendeten Wasserströmung angepasst werden können. Die Verstellung der Turbinenflügel erfolgt dabei nicht nur synchron, sondern auch mit einer hohen Genauigkeit hinsichtlich des gewünschten Verdreh- bzw. Verstellwinkels.
Im gewählten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist überdies die Spindelmutter 5 von einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse 50 gebildet, welches innenseitig eine Vielzahl von Kugeln 51, beispielsweise geeigneten Wälzlagerkugeln trägt, die formschlüssig in den Spindelgängen 40 der Steuerspindel 4 ablaufen. Auf diese Weise wird eine nahezu spielfreie Umwandlung der linearen Bewegung der Steuerspindel 4 in die gewünschte Drehbewegung der Spindelmutter 5 am Kegelrad 31 zum Antrieb des Kegelradgetriebes 3 und der Turbinenflügel 2 um ihre Längsachse L bewirkt.
Es versteht sich, dass die Steuerspindel 4 wahlweise über ihre gesamte Länge mit einem Spindelgewinde und demgemäß Spindelgängen 40 versehen sein kann oder aber auch nur in einem Bereich, in welchem sie durch das Kegelradgetriebe 3, insbesondere die Spindelmutter 5 hindurch tritt.
Zur weiteren Steigerung der Verstellgenauigkeit des Kegelradgetriebes 3 und der durch diese verstellten Turbinenflügel 2 sind sämtliche Kegelräder 30, 31 des Kegelradgetriebes 3 mit bogenförmig verlaufenden Verzahnungen ausgebildet, wodurch das Zahnflankenspiel innerhalb des Kegelradgetriebes 3 auf ein Minimum reduziert wird.
Aus der 2 ist eine alternative Ausgestaltung Turbine mit Verstelleinrichtung ersichtlich, in der gleiche Teile gleiche Bezugszeichen erhalten haben und zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals gesondert erläutert werden, sofern dies nicht zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist.
Man erkennt aus der Darstellung der 2 insgesamt drei Turbinenflügel 2, die jeweils mit ihrem Fußbereich 20 innerhalb der drehbaren Nabe 1 aufgenommen sind und in Drehlagern 33 um ihre eigene Längsachse L drehbar gehaltert sind, wozu die nachfolgend erläuterte Verstelleinrichtung Verwendung findet.
Am jeweiligen unteren Ende des Fußbereiches 20 eines jeden Turbinenflügels 2 ist ein erstes Kegelrad 30 angeordnet, welches unter Zwischenschaltung eines zweiten Kegelrades 31 mit dem benachbarten ersten Kegelrad 30 des nächsten Turbinenflügels 2 in Eingriff steht, wobei die zweiten Kegelräder 31 in Drehlagern 32 gehaltert sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel bilden somit die ersten und zweiten Kegelräder 30, 31 ein Kegelradgetriebe 3, bei welchem sich die einzelnen Turbinenflügel 2 synchron, d. h. gleichlaufend um ihre jeweilige Längsachse L verdrehen lassen.
Der Antrieb des Kegelradgetriebes 3 und damit der daran anschließenden Turbinenflügel 2 erfolgt im Ausführungsbeispiel gemäß 2 über eine sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckende und von einem nicht dargestellten Antriebsmotor drehbaren Antriebswelle 6, die als Schneckenwelle ausgebildet ist und mit einer weiteren Schneckenwelle, die als Abtriebswelle 7 dient, in Eingriff steht. Die Abtriebswelle 7 ist mit einem der ersten Kegelräder 30 verdrehfest verbunden, dieses ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 etwa in 12-Uhr-Position angeordnet.
Wird somit die Antriebswelle 6 von dem nicht dargestellten Drehantrieb in Rotation versetzt, wird diese Rotation auf das mit der Abtriebswelle 7 verbundene erste Kegelrad 30 und den daran anschließenden Turbinenflügel 2 übertragen, wobei gleichzeitig aufgrund der Verkettung über das Kegelradgetriebe 3 auch die beiden weiteren Turbinenflügel 2 in gleicher Weise synchron um ihre jeweilige Längsachse L verdreht werden.
Um auch bei dieser Ausführungsform der vorangehend erläuterten Versteileinrichtung eine möglichst hohe Positioniergenauigkeit der um die Längsachse L verdrehbaren Turbinenflügel sicherzustellen, ist der Abtriebswelle 7 gegenüberliegend eine Vorspanneinrichtung 8 in Gestalt einer federbelasteten elastischen Kupplung vorgesehen, die sich zwischen dem etwa in 6-Uhr-Position befindlichen zweiten Kegelrad 31 und der Abtriebswelle 7 befindet. Diese Vorspanneinrichtung 8 erzeugt ein definiertes Torsionsmoment, welches dazu führt, dass das Zahnflankenspiel innerhalb des Kegelradgetriebes 3 und zwischen der Antriebswelle 6 und der Abtriebswelle 7 eliminiert wird.
Mit den vorangehend erläuterten Verstelleinrichtungen ist es möglich, die Turbinenflügel 2 über einen Verstellbereich von beispielsweise 280° um ihre Längsachse L zu verdrehen, so dass auch wechselnde Anströmrichtungen von im Rahmen eines Gezeitenkraftwerks eingesetzten Turbinen optimal zur Energiegewinnung ausgenutzt werden können, wobei Positioniergenauigkeiten der einzelnen Turbinenflügel 2 in Bezug auf den Verstell-Sollwert von weniger als 0,5° erreichbar sind.
Es versteht sich, dass abweichend von den vorangehend erläuterten Ausführungsbeispielen die Krafteinleitung in das Kegelradgetriebe 3 auch über andere Kegelräder 30, 31 des Kegelradgetriebes erfolgen kann und auch die Turbine mit mehr oder weniger als den dargestellten drei Turbinenflügeln ausgerüstet sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3921570 C2 [0002]

Claims

Verstelleinrichtung für eine Turbine, wobei die Turbine eine drehbare Nabe (1) und an der Nabe (1) angebrachten und mittels der Verstelleinrichtung um ihre Längsachse (L) verstellbare Turbinenflügel (2) umfasst und die Turbinenflügel (2) jeweils einen in der Nabe (1) aufgenommenen Fußbereich (20) aufweisen, an welchem die Verstelleinrichtung angreift, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Versteileinrichtung jeder Fußbereich (20) der Turbinenflügel (2) ein erstes Kegelrad (30) trägt, die ersten Kegelräder (30) unter Zwischenschaltung mindestens eines zweiten Kegelrades (31) miteinander in Eingriff stehen und ein Kegelradgetriebe (3) bilden und ein steuerbarer Drehantrieb für den Antrieb mindestens eines der Kegelräder (30, 31) vorgesehen ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb von einer axial verlagerbaren Steuerspindel (4) gebildet ist, die mit einer auf der Steuerspindel (4) drehbeweglich gelagerten und mit einem der Kegelräder (30, 31) verbundenen Spindelmutter (5) in Wirkverbindung steht.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (5) ein Gehäuse (50) sowie innerhalb des Gehäuses (50) gelagerte und formschlüssig in den Spindelgängen (40) ablaufende Kugeln (51) umfasst.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (50) integral in einem der Kegelräder (30, 31) ausgebildet ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb eine mittels eines Antriebsmotors drehbare Antriebswelle (6) und eine mit der Antriebswelle (6) in Eingriff stehende Abtriebswelle (7) umfasst, welche mit einem der Kegelräder (30, 31) verbunden ist.
Versteileinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs- und Abtriebswelle (8, 7) als Schneckenwellen ausgebildet sind.
Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelräder (30, 31) eine Bogenverzahnung aufweisen.
Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Kegelräder (30, 31) mittels einer Vorspanneinrichtung (8) mit einer vorgebbaren Torsionsspannung beaufschlagbar ist, dergestalt, dass das Zahnflankenspiel im Kegelradgetriebe (3) aufhebbar ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (8) von einer federbelasteten elastischen Kupplung gebildet ist, die zwischen der Abtriebswelle (7) und einem der Kegelräder (30, 31) angeordnet ist.
Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenflügel (2) um mindestens 280° um ihre Längsachse (L) verstellbar sind.
Verwendung einer Verstelleinrichtung gemäß den vorhergehenden Ansprüchen in einer Wasserturbine eines Gezeitenkraftwerks zur Erzeugung von elektrischem Strom.